陳玲玲，蒙艷松，張立新

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100）

一種新的方法對(duì)北斗三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估

陳玲玲，蒙艷松，張立新

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 陜西 西安710100）

針對(duì)北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距信號(hào)，特別是載波相位觀測(cè)值的精確與否將直接影響其精密應(yīng)用，因此本文通過(guò)偽距多路徑誤差和載波相位噪聲兩個(gè)方面對(duì)北斗三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行分析。利用偽距載波相位組合法推導(dǎo)出三頻信號(hào)的多徑誤差估計(jì)模型；并針對(duì)零基線雙差法對(duì)載波相位觀測(cè)值精度評(píng)估時(shí)，必須要求在同一個(gè)測(cè)站有兩個(gè)相同型號(hào)的接收機(jī)對(duì)兩顆衛(wèi)星的三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況，提出利用無(wú)幾何相位無(wú)電離層組合法，實(shí)現(xiàn)單個(gè)接收機(jī)對(duì)單個(gè)衛(wèi)星接收到的三頻載波相位觀測(cè)值精度進(jìn)行正確評(píng)估。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)采用三頻多路徑估計(jì)模型對(duì)偽距多徑誤差估計(jì)精度高，且數(shù)據(jù)利用率高；偽距多路徑誤差以及衛(wèi)星載波相位觀測(cè)值精度均與衛(wèi)星高度角成正比。當(dāng)衛(wèi)星高度角大于40°左右，載波相位觀測(cè)值精度均在3 mm以內(nèi)。

數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估；三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)；偽距多徑誤差；載波相位觀測(cè)噪聲

2012年底北斗導(dǎo)航系統(tǒng)為亞太區(qū)域提供定位、導(dǎo)航以及授時(shí)服務(wù)，其中包括5顆GEO（靜止軌道衛(wèi)星）、5顆IGSO（傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，均在傾角為55°的軌道面上）、4顆MEO（地球中軌衛(wèi)星），它們均能播發(fā) B1、B2、B33 個(gè)頻點(diǎn)信號(hào)[1]，其中 fB1=1561.098MHz，fB2=1 207.14 MHz，fB3=1 268.52 MHz。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的測(cè)距信號(hào)，特別是載波相位觀測(cè)值的精確與否將直接影響其精密應(yīng)用，因此研究北斗信號(hào)質(zhì)量具有重要的實(shí)際意義[2]，測(cè)距信號(hào)中主要是多路徑誤差，是影響導(dǎo)航定位精度的一個(gè)重要因素，并且該項(xiàng)誤差無(wú)法很好的通過(guò)差分或者建模進(jìn)行消除，該項(xiàng)誤差會(huì)導(dǎo)致精密單點(diǎn)定位的收斂時(shí)間較長(zhǎng)以及其可靠度[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了一些分析和抑制多徑誤差的方法[15]。Yang等[4]使用零基線單差法對(duì)北斗GEO、IGSO和MEO 3類導(dǎo)航衛(wèi)星偽距和載波相位觀測(cè)精度進(jìn)行了評(píng)估；程鵬飛等[5]從偽距相位差組合觀測(cè)值和多路徑誤差兩個(gè)方面分析了北斗衛(wèi)星的測(cè)距信號(hào)的質(zhì)量；Montenbruck等[7-8]使用三頻載波相位無(wú)幾何消電離層組合觀測(cè)值初步分析了北斗GEO和IGSO衛(wèi)星載波相位觀測(cè)值誤差。一直以來(lái)對(duì)北斗系統(tǒng)的分析主要集中在雙頻階段，對(duì)三頻信號(hào)質(zhì)量分析方面研究較少。本文主要從3個(gè)頻點(diǎn)上的信噪比，多徑誤差以及載波相位測(cè)量精度三個(gè)方面對(duì)北斗二代三頻信號(hào)進(jìn)行質(zhì)量分析，該項(xiàng)工作對(duì)于仍然處在建設(shè)階段的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有重要的作用。

1 偽距多路徑誤差

衛(wèi)星的信噪比是接收機(jī)接收到的信號(hào)與噪聲之比[6]，與接收機(jī)、信號(hào)傳播路徑、衛(wèi)星天線的觀測(cè)仰角有關(guān)。文中利用IGS中心提供的MGEX數(shù)據(jù)中g(shù)msd測(cè)站觀測(cè)到的2015年1月20的北斗三頻數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源進(jìn)行分析。選取不同類型的衛(wèi)星C01（GEO），C10（IGSO），C11（MEO），分別對(duì)其進(jìn)行分析，并加以比較。

偽距測(cè)量方程為：

載波相位觀測(cè)值表達(dá)式為：

理論上，北斗載波相位觀測(cè)噪聲遠(yuǎn)小于偽距多徑誤差量級(jí)[5]，因此可以采用偽距和載波相位進(jìn)行組合提取偽距的觀測(cè)誤差[7]，由文獻(xiàn)[8]知，假設(shè)接收機(jī)一直處于連續(xù)跟蹤，未發(fā)生周跳的狀態(tài)下，雙頻觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑誤差估計(jì)模型為：

其中，λ1，λ2為載波 B1，B2頻點(diǎn)上的波長(zhǎng)?？梢钥闯觯?jì)算得到的MPi為偽距的多路徑誤差，其中除了系統(tǒng)的硬件延遲和觀測(cè)值的隨機(jī)噪聲還包含載波相位的整周模糊度，因此需要采用扣除均值后的殘差序列來(lái)估計(jì)每個(gè)頻點(diǎn)上的偽距多徑。

該數(shù)學(xué)模型對(duì)于雙頻觀測(cè)值可以順利求解，但是對(duì)于三頻數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行兩次運(yùn)算，且每次運(yùn)算中，對(duì)三頻數(shù)據(jù)的利用率不高。

針對(duì)雙頻信號(hào)的偽距多徑誤差數(shù)學(xué)模型對(duì)三頻數(shù)據(jù)的利用率不高的情況，并利用三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)可以完全消除電離層延遲一階項(xiàng)并同時(shí)減弱電離層延遲二階項(xiàng)的影響的特點(diǎn)，推導(dǎo)出三頻信號(hào)的偽距多徑誤差的數(shù)學(xué)模型。

下面利用這兩種方法分別求解C10號(hào)衛(wèi)星B1、B2、B3頻點(diǎn)上的多徑誤差，并進(jìn)行比較。

表1 不同組合條件下，C10號(hào)衛(wèi)星多徑誤差的標(biāo)準(zhǔn)差

圖1是在不同的信號(hào)組合條件下，用上述兩種多徑誤差估計(jì)模型得到的C10號(hào)衛(wèi)星3個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的偽距多徑誤差，其中圖 1（a）、圖 1（b）、圖 1（c）均是利用雙頻模型下得到的多路徑誤差，圖1（c）是利用三頻模型估計(jì)得到的多路徑誤差。表1為不同組合條件下，衛(wèi)星C10多徑誤差的標(biāo)準(zhǔn)差，其中MP1、MP2、MP3分別為3個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的多路徑誤差。由圖表可知，基于三頻信號(hào)模型估計(jì)的多路徑誤差精度更高，且計(jì)算量較雙頻模型小，數(shù)據(jù)利用率高。

2 載波相位噪聲

由于沒(méi)有比相位精度更高的測(cè)量數(shù)據(jù)，因此無(wú)法采用獲得偽距多徑的方法獲得單個(gè)頻點(diǎn)的相位噪聲[9]，可以利用相位無(wú)幾何無(wú)電離層法消除站星幾何距離、對(duì)流層延遲，組合后剩下3個(gè)載波相位組合后的測(cè)量噪聲。但在無(wú)幾何相位無(wú)電離層組合法使用之前需要對(duì)原始載波相位中的周跳進(jìn)行正確探測(cè)與修復(fù)[13-15]，此時(shí)方程自由度為2，因此不能直接求出每個(gè)載波相位上的載波相位觀測(cè)噪聲。

圖1 在不同信號(hào)組合條件下，C10號(hào)衛(wèi)星的多徑誤差

目前對(duì)于載波相位噪聲的估計(jì)均是利用零基線雙差觀測(cè)值[12]進(jìn)行評(píng)估，零基線雙差觀測(cè)值具體表示如下：

式中，i為頻率標(biāo)識(shí)；j，k 為接收機(jī)標(biāo)識(shí)；p，q 為衛(wèi)星標(biāo)識(shí)；（Ni）pqjk為載波相位雙差模糊度參數(shù)；ε為雙差載波相位觀測(cè)噪聲；DDφi為對(duì)應(yīng)頻率的載波相位雙差殘差。

由式（8）可知，零基線雙差觀測(cè)值消除了衛(wèi)星軌道誤差，電離層延遲誤差，衛(wèi)星鐘差，對(duì)流層延遲誤差以及接收機(jī)鐘差，因此該組合僅含有載波相位觀測(cè)噪聲，可以用來(lái)評(píng)估載波相位觀測(cè)值精度。然而由于該方法要求在同一個(gè)測(cè)站必須有兩臺(tái)型號(hào)相同的接收機(jī)，且必須有同時(shí)對(duì)兩顆星的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，該方法方可使用。針對(duì)這種情況，并在零基線雙差觀測(cè)值法估計(jì)的北斗3個(gè)頻點(diǎn)上的載波相位觀測(cè)值精度相當(dāng)?shù)囊阎獥l件下，提出利用三頻無(wú)幾何相位無(wú)電離層組合的殘差，實(shí)現(xiàn)在僅有單個(gè)接收機(jī)接收單顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)載波相位精度進(jìn)行評(píng)估。

無(wú)幾何相位無(wú)電離層組合法表達(dá)式如下：

對(duì)三頻無(wú)幾何距離無(wú)電離層組合的殘差進(jìn)行歸一化，即可獲得單個(gè)頻點(diǎn)上相位噪聲的估計(jì)值。

其中，LGIF（ti）為無(wú)幾何無(wú)電離層組合后的值，，上式中還包含高階電離層等誤差的影響，因此用該式估計(jì)的相位噪聲會(huì)比實(shí)際噪聲略大。

首先對(duì)C01，C10，C11號(hào)星3個(gè)頻點(diǎn)接收到的載波相位值進(jìn)行歷元間一次差分，結(jié)果如下：

圖2為3個(gè)頻點(diǎn)上的載波相觀測(cè)值歷元間一次差，反映的是接收機(jī)內(nèi)部整周計(jì)數(shù)器的變化值，也即衛(wèi)星靠近或遠(yuǎn)離接收機(jī)的情況。當(dāng)同一個(gè)接收機(jī)接收同一顆衛(wèi)星上的數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)論頻率如何，3個(gè)頻點(diǎn)上的該值均是同時(shí)增大或同時(shí)減小，交于零處，并且，頻率越大，該值變化越快。由此得出觀測(cè)到的數(shù)據(jù)無(wú)異常，可利用無(wú)幾何相位無(wú)電離層組合法對(duì)載 波相位觀測(cè)噪聲進(jìn)行估計(jì)。

圖2 C01、C10、C11號(hào)星3個(gè)頻點(diǎn)上的載波相位觀測(cè)值歷元間一次差分值

圖3 C01，C10號(hào)星上3個(gè)頻點(diǎn)上載波相位噪聲與高度角的關(guān)系

圖3是分別利用歸一化的無(wú)幾何無(wú)電離層法求得的載波相位觀測(cè)噪聲值。由圖可知：

1）載波相位觀測(cè)值精度與衛(wèi)星高度角有關(guān)，高度角越大，載波相位噪聲越小。

2）GEO衛(wèi)星三頻載波觀測(cè)值精度較穩(wěn)定，載波相位精度在3 mm內(nèi)，對(duì)于IGSO衛(wèi)星，當(dāng)衛(wèi)星高度角大于60°時(shí)，載波相位觀測(cè)值精度在1 mm內(nèi)。

3）該方法在單個(gè)接收機(jī)有對(duì)單顆衛(wèi)星的三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)載波相位觀測(cè)值的精度正確評(píng)估。

3 結(jié)束語(yǔ)

文中利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)從多徑誤差、載波相位噪聲兩個(gè)方面對(duì)北斗三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析。利用三頻偽距載波相位推導(dǎo)了北斗三頻偽距多徑誤差估計(jì)公式，通過(guò)與雙頻偽距多徑誤差估計(jì)模型相比，發(fā)現(xiàn)該模型對(duì)多徑誤差估計(jì)精度較高，且數(shù)據(jù)利用率高。并針對(duì)零基線雙差對(duì)載波相位觀測(cè)值精度進(jìn)行評(píng)估時(shí)，必須具有兩個(gè)接收機(jī)對(duì)兩顆星的三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)的情況，提出利用無(wú)幾何相位無(wú)電離層組合法實(shí)現(xiàn)僅有單個(gè)接收機(jī)對(duì)單顆衛(wèi)星的三頻觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)的北斗三頻載波相位觀測(cè)值精度評(píng)估。但由于在進(jìn)行質(zhì)量分析時(shí)采集的只是一天的數(shù)據(jù)，時(shí)間較短，規(guī)律性不足，因此該論文只是從一定程度上給出了北斗三頻信號(hào)質(zhì)量分析結(jié)果，具有一定的參考意義。

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A new method to assess the quality of Bei-Dou tri-band observation data

CHEN Ling-ling，MENG Yan-song，ZHANG Li-xin
（China Academy of Space Technology （Xi’an），Xi’an 710100，China）

Since the ranging signal in Bei-Dou navigation system，particularly the accuracy of carrier phase observations will directly affect its precision applications.The quality of the tri-frequency observation data in Bei-Dou satellite system were analyzed from two aspects in this article，Multipath error and carrier phase noise.The tri-band signals multipath error estimation model was deduced by using the pseudo-range carrier phase combination method.Since observations from two satellites use two identical receivers were necessary when the method of zero-baseline double-difference was used to assess the accuracy of carrier phase observations，the carrier phase noise estimation model was proposed by using the geometric-free phase method with observations

from one satellite use one receiver.Experimental results show that the accuracy using the tri-band model to estimate the multipath error is higher than using the dual model，and with a high utilization of data.pseudo-range multipath and carrier phase noise are proportional with satellite elevation angle.When the satellite elevation angle is greater than about 40 °，the accuracy of carrier phase measurements is less than 3 mm.

the quality of the observation data；triple-frequency data；pseudo-range multipath；noise of carrier phase

TN96

：A

：1674－6236（2017）13-0044-04

2016-05-06稿件編號(hào)：201605047

陳玲玲（1989—），女，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生。研究方向：空間導(dǎo)航技術(shù)。